Name: Autor im Fokus: Entwicklung von bio-hybriden AFM-Auslegern zur quantitativen Analyse von Mückenstichmechanismen
Uploaded: 2024-04-26T14:40:00
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Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung durch den kanadischen New Frontiers in Research Fund (NFRF), das Discovery-Programm des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und die Master-Ausbildungsstipendien des Fonds de Recherche du Québec Nature et Technologies (FRQNT). Die Autoren danken auch der Gruppe von Prof. Yaoyao Zhao an der McGill University für ihre technische Unterstützung beim 3D-Druck einiger Komponenten.

Bei der für dieses Protokoll verwendeten Mückenart handelt es sich um ein nicht infiziertes adultes Weibchen von Aedes aegypti (A. aegypti), das eingefroren und in einem Gefrierschrank bei -20 °C gelagert wurde. Die Spezies wurde vom NIH/NIAID Filariasis Research Reagent Resource Center für den Vertrieb über BEI Resources, NIAID, NIH, zur Verfügung gestellt: Uninfected Aedes aegypti, Strain Black Eye Liverpool (Frozen), NR-48920. Die für die Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind...

Bio-Hybrid-AFM-Sonde mit Moskito-Labrum zur Untersuchung des Stechverhaltens

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Schritt 1 des Protokolls dient dazu, die biologische Probe von dem unerwünschten Labium zu reinigen. Um dies zu erreichen, wird ein Schnitt am Labium gemacht, nicht aber am Faszikel, der direkt unter dem Labium aufliegt (Abbildung 1). Da Faszikel und Labium an ihrer Grenzfläche nicht miteinander verbunden sind (d.h. das Labium kann frei entlang des Faszikels gleiten und wird nur durch seine Befestigung am Mückenkopf an Ort und Stelle gehalten), soll der durchgeführte Schnitt einen Teil d...

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) berichtete, dass vektorübertragene Krankheiten (VBDs) über 17 % aller Infektionskrankheiten ausmachen, die weltweit mehr als 7.00.000 Todesfälle pro Jahr verursachen. Als tödlichstes Tier der Welt verbreiten Mücken beispielsweise zahlreiche Krankheitserreger wie Dengue, Malaria und Zika durch blutsaugende Gliederfüßer, was jedes Jahr zu 700 Millionen Infektionen führt1. Die Erforschung der Entwicklung wirksamer Maßnahmen zur Vorbeugung von VBDs ist von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Nachahmung des Penetrationsverhaltens von Mücken, um ihre Stichmechanismen zu untersuchen, und der Untersuchung potenzieller Barrieren, um ihre Wirksamkeit bei der Verhinderung des Eindringens zu beweisen. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, geeignete Ansätze für die Durchführung solcher Untersuchungen zu entwickeln. In der Literatur wurden Anstrengungen unternommen, einschließlich der Entwicklung von mikroskaligen Nadeln, die der Geometrie eines Mückenstichs ähneln; Viele der Materialien, die zur Herstellung dieser Mikronadeln verwendet werden (d. h. viskoelastische Materialien2, Silikon (Si), Glas, Keramik3 usw.), haben jedoch andere mechanische Eigenschaften als das biologische Material des Rüssels der Mücke. Die technischen Materialien können spröde und anfällig für Bruch und Knickensein 3,4, während der Rüssel der Mücke einem Bruch oder Knicken besser standhaltenkann 4. Der Vorteil einer Bio-Hybrid-Sonde, die das Labrum einer Mücke anstelle von technischen Materialien verwendet, besteht darin, dass sie den Piercing-Mechanismus von Mücken genauer darstellen kann. Außerdem müssen spezielle Werkzeuge in Mikronadeln integriert werden, um quantitative Studien durchzuführen, wie z. B. die genaue Messung von Kraft5, die mit kundenspezifischen Setups mit speziell entwickelten Mikronadeln nicht leicht zu erreichen ist.
Der auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierende Ansatz ist insofern vielversprechend, als er mit einem Cantilever-Ansatz mit einer ultrafeinen Spitze arbeitet, die sorgfältig in der Nähe der Oberfläche einer Probe positioniert wird. Die Spitze kann entweder über eine Oberfläche scannen oder in eine Oberfläche gedrückt werden, wobei sie aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit einer Probe6 unterschiedliche Anziehungs- oder Abstoßungskräfte erfährt. Diese Wechselwirkungen führen zur Ablenkung des Auslegers, die durch die Reflexion eines Laserstrahls von der Oberseite des Auslegers auf einen Photodetektor6 verfolgt wird. Die außergewöhnliche Empfindlichkeit des Systems gegenüber Bewegungen ermöglicht es dem AFM, eine Vielzahl von Messungen durchzuführen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf morphologische Kartierungen mit Pikometergenauigkeit, Kraftmessungen von Pikonewton bis Mikronewton und umfassende multiphysikalische Untersuchungen7. Zum Beispiel können AFM-Eindrücke durchgeführt werden, um die Reaktion auf die aufgebrachte Kraft einer Probe genau zu beurteilen und auch um die Härte, Elastizität und andere mechanische Eigenschaften einer Probe zu messen, indem sie mit geeigneten analytischen Modellengekoppelt werden 8. Die Sonde des Rasterfelds besteht am häufigsten aus Silizium (Si) oder Siliziumnitrid (Si3N4)8 mit einer Länge von 20 bis 300 μm9 und einem Spitzenradius in der Größenordnung von mehreren bis zehn Nanometern10. Der Spitzenradius im Nanometerbereich kann ideal für Anwendungen wie hochauflösende Bildgebung sein. Es besitzt jedoch nicht die Eigenschaften biologischer Stacheln für Studien, die versuchen, das Penetrationsverhalten in Bezug auf Steifigkeit, Radius, Form und Streckungsverhältnis nachzuahmen. Zum Beispiel ist die Mikronadelstruktur einer Mücke der Faszikel, der ein Seitenverhältnis von ~6011 (Länge ~1,5 mm bis 2 mm; Durchmesser ~30 μm)12 hat. Während man davon ausgehen kann, dass eine herkömmliche AFM-Sonde einem biologischen Stachel wie einem Labrum ähnelt, spiegeln ihre unterschiedlichen Materialeigenschaften und Abmessungen nicht die reale Situation während eines Bisses wider.
Um quantitative Untersuchungen des Penetrationsverhaltens zu ermöglichen, das biologische Bisse von Insekten oder anderen Tieren mit Stacheln nachahmt, wird hier ein Verfahren zur Herstellung von bio-hybriden AFM-Auslegern mit einem biologischen Stachel als Spitze entwickelt. Als Fallstudie wurde erfolgreich ein AFM-Ausleger demonstriert, an dem die Spitze eines Mückenlabrums befestigt war. Unter Berücksichtigung vorhandener Informationen aus der Literatur über die typischen Einstichkräfte, mit denen eine Mücke die Haut eines Opfers durchdringt12,13, kann dieser biohybride AFM-Cantilever möglicherweise eine nahezu reale Nachahmung von Mückenstichen unter einem regulären AFM ermöglichen. Das Protokoll der Nutzung mikrobiologischer Stacheln zur Herstellung von biohybriden AFM-Auslegern kann auch auf die Entwicklung anderer scharfer stachelbasierter biohybrider AFM-Ausleger für quantitative Untersuchungen einer Vielzahl von Beißmechanismen angewendet werden.
Terminologien Ein Schema eines Rüssels und seiner interessierenden Komponenten ist in Abbildung 1 dargestellt, und ihre Definitionen sind: (1) Rüssel: ein Körperteil aus dem Mund einer Mücke, der es der Mücke ermöglicht, sich selbst zu ernähren, mit einer Kern-Schale-Struktur, die aus dem Faszikel (Kern) und dem Labium (Schale) besteht, (2) Labium: die dunkle und stumpfe äußere Hülle eines Rüssels2, (3) Faszikel: eine Gruppe schlanker Nadeln, die sich im Inneren des Labiums befinden, darunter zwei Oberkiefer, zwei Mandibeln, ein Hypopharynx und ein Labrum2, (4) Hypopharynx: verantwortlich für die Sekretion von Speichel in den Blutkreislauf des Wirts2, (5) Maxillae: gezacktes Element, das den Ernährungsmechanismus unterstützt2, (5) Mandibeln: ähnlich wie der Oberkiefer helfen sie der Mücke beim Fressmechanismus und haben eine scharfe Spitze2, (6) Labrum: das Hauptglied für das Eindringen in die Haut des Opfers, das viel größer ist als der Oberkiefer, der Mandibeln und der Hypopharynx. Es verfügt auch über sensorische Strukturen, die es ihm ermöglichen, Blutgefäße und interne Kanäle unter der Haut zu finden2, (7) Manipulator: eine Anordnung mit drei Freiheitsgraden und einer Genauigkeit im Mikrometerbereich für die Positionierung, die eine Bewegung in XYZ-Richtung ermöglicht, (8) Klemmbaugruppe: eine maßgeschneiderte 2-teilige Klemme, die am Manipulator montiert wird und zum Klemmen des spitzenlosen AFM-Auslegers während des Experiments verwendet wird.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>&#160;5-SA-SE Straight Tapered Ultra Fine-Pointed Tweezers</td>
			<td>Excelta</td>
			<td>N/A</td>
			<td>For manipulating/dissecting the proboscis.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-4D Probe station</td>
			<td>Everbeing Int&#8217;l Corp&#160;</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Used for AFM assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tipless Tapping Mode Cantilever</td>
			<td>NanoAndMore USA</td>
			<td>TL-NCH</td>
			<td>AFM cantilever used for mounting the labrum. 
			Specs are shown here: 
			 
			Shape: Beam 
			Force Constant: 42 N/m (10 - 130 N/m) 
			Resonance Frequency: 330 kHz (204 - 497 kHz) 
			Length: 125 &#181;m (115 - 135 &#181;m) 
			Width: 30 &#181;m (22.5 - 37.5 &#181;m) 
			Thickness: 4 &#181;m ( 3 - 5 &#181;m)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Expoxy</td>
			<td>Let&#39;s resin</td>
			<td>ALR00146</td>
			<td>For stinger attachment.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of a bio-hybrid mosquito stinger-based atomic force microscopy probe

Mücken, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Krankheiten zu übertragen, als die tödlichsten Tiere für den Menschen berüchtigt sind, stellen eine ständige Herausforderung für die öffentliche Gesundheit dar. Die derzeit angewandte primäre Präventionsstrategie sind chemische Repellentien, die sich oft als unwirksam erweisen, da Mücken schnell Resistenzen entwickeln. Daher ist die Erfindung neuer Präventionsmethoden von entscheidender Bedeutung. Eine solche Entwicklung hängt von einem gründlichen Verständnis des Stechverhaltens von Mücken ab, was einen Versuchsaufbau erfordert, der tatsächliche Stichszenarien mit kontrollierbaren Testparametern und quantitativen Messungen genau nachbildet. Um diese Lücke zu schließen, wurde eine biohybride Rasterkraftmikroskopie-Sonde (AFM) entwickelt, deren Spitze ein biologischer Stachel - genauer gesagt ein Mückenlabrum - ist. Diese Bio-Hybrid-Sonde, die mit Standard-AFM-Systemen kompatibel ist, ermöglicht eine nahezu authentische Simulation des Penetrationsverhaltens von Mücken. Diese Methode stellt einen Fortschritt in der quantitativen Erforschung von Stichmechanismen dar und führt möglicherweise zur Schaffung wirksamer Barrieren gegen vektorübertragene Krankheiten (VBDs) und eröffnet neue Wege im Kampf gegen durch Stechmücken übertragene Krankheiten.

World Health Organization (WHO) reported that vector-borne diseases (VBDs) account for over 17% of all infectious diseases, which cause more than 7,00,000 deaths per year globally. For example, as the deadliest animal in the world, mosquitoes spread numerous pathogens, such as dengue, malaria, and Zika, through blood-feeding arthropods, resulting in 700 million infections each year1. Explorations toward the development of effective measures to prevent VBDs are of crucial importance, including mimicking the penetration behaviors of mosquitoes to investigate their biting mechanisms and studies of potential barriers to prove their efficacy in preventing penetration. One key challenge is to develop proper approaches to perform such investigations. Efforts have been made in the literature, including the development of micro-scale needles that resemble the geometry of a mosquito stinger; however, many of the materials used to make these microneedles (i.e., viscoelastic materials2, silicon (Si), glass, ceramic3, etc.) have different mechanical properties than the biological material of the mosquito&#39;s proboscis. The engineered materials can be brittle and prone to fracture and buckling3,4, whereas the mosquito&#39;s proboscis can withstand fracture or buckling better4. The benefit of having a bio-hybrid probe using the labrum of a mosquito instead of engineered materials is that it can be a more accurate representation of the piercing mechanism of mosquitoes. Also, specialized tools must be integrated with micro needles to perform quantitative studies, such as the accurate measurement of force5, which is not easily achievable with customized setups using engineered microneedles.
Atomic force microscopy (AFM)-based approach is promising in that it operates by employing a cantilever with an ultra-fine tip that is carefully positioned close to a sample&#39;s surface. The tip can either scan across or be pressed towards/into a surface, experiencing varying attractive or repulsive forces due to its interactions with a sample6. These interactions lead to the cantilever&#39;s deflection, which is tracked by the reflection of a laser beam from the cantilever&#39;s top onto a photodetector6. The exceptional sensitivity to movement of the system enables AFM to conduct a diverse range of measurements, including but not limited to morphological mapping with picometer accuracy, force measurements ranging from piconewtons to micronewtons, and comprehensive multiphysics investigations7. For example, AFM indentations can be performed to precisely assess the response to the applied force of a sample and also to measure the hardness, elasticity, and other mechanical properties of a sample by coupling with appropriate analytical models8. The probe of the AFM is most commonly made of silicon (Si) or silicon nitride (Si3N4)8 with a length of 20-300 &#181;m9 and a tip radius on the order of several to tens of nanometers10. The nanometer scale tip radius can be ideal for applications such as high-resolution imaging; however, it does not possess the characteristics of biological stingers for studies that try to mimic penetration behaviors in terms of stiffness, radius, shape, and aspect ratio. For example, the microneedle structure of a mosquito is the fascicle, which has an aspect ratio of ~6011 (length ~1.5 mm to 2 mm; diameter ~30 &#181;m)12. While a conventional AFM probe can be assumed to resemble a biological stinger like a labrum, its distinct material properties and dimensions will not reflect the real situation during a bite.
To enable quantitative investigations of penetration behaviors mimicking biological bites of insects or other animals with stingers, here, a process to fabricate bio-hybrid AFM cantilevers with a biological stinger as its tip is developed. As a case study, an AFM cantilever with a mosquito labrum&#39;s tip attached was successfully demonstrated. Harnessing existing information from literature on the typical insertion forces that a mosquito uses to pierce through a victim&#39;s skin12,13, this bio-hybrid AFM cantilever can potentially allow near-real mimicry of mosquito bites under a regular AFM. The protocol of leveraging micro biological stingers to fabricate bio-hybrid AFM cantilevers can also be applied to the development of other sharp stinger-based biohybrid AFM cantilevers for quantitative investigations of a variety of biting mechanisms.
Terminologies 
A schematic of a proboscis and its components of interest are shown in Figure 1, and their definitions are (1) Proboscis: a body part from the mouth of a mosquito that allows the mosquito to feed itself, with a core-shell structure composed of the fascicle(core) and the labium(shell), (2) Labium: the dark and blunt outer cover of a proboscis2, (3) Fascicle: a group of slender needles contained inside of the labium, including two maxillae, two mandibles, a hypopharynx, and a labrum2, (4) Hypopharynx: responsible for secreting saliva into the host&#39;s bloodstream2, (5) Maxillae: serrated member assisting in the feeding mechanism2, (5) Mandibles: similar to the maxilla, they help the mosquito in the feeding mechanism and have a sharp tip2, (6) Labrum: the main member for penetrating the skin of a victim, which is much bigger than the maxillae, mandibles and hypopharynx. It also has sensory structures that allow it to find blood vessels and internal channels under the skin2, (7) Manipulator: an assembly with three degrees of freedom and micron-scale accuracy for positioning, allowing movement in XYZ directions, (8) Clamp assembly: a custom-made 2-part clamp mounted to the manipulator used to clamp the tipless AFM cantilever during the experiment.

Autor im Fokus: Entwicklung von bio-hybriden AFM-Auslegern zur quantitativen Analyse von Mückenstichmechanismen

Entwicklung einer bio-hybriden Mosquito-Stinger-basierten Rasterkraftmikroskopie-Sonde

We're looking to develop an AFM cantilever to potentially quantitatively study the biting mechanisms of the mosquito. Our protocol offers a new method for creating accurate, controllable, and reliable AFM probes in order to study animal biting or stinging processes. Our protocol aims at accurately simulating the animal biting process, causing current methodologies to either be uncontrollable, unreproducible in a reliable manner, or in certain cases completely inaccurate.The impact of our work is twofold. The first, we create a protocol that enables other researchers to fabricate their own custom bio-hybrid AFM cantilevers. Secondly, our work paves the way for creating other protocols that merge testing systems with biological material for creating more realistic testing scenarios.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder der hergestellten Bio-Hybrid-AFM-Sonde sind in Abbildung 7 zu sehen. Das Ende des Labrums wurde erfolgreich mit dem kipplosen Auslegerbalken verklebt. Aufgrund der natürlichen Krümmung der Mückenstiche und der manuellen Bedienung des vorgestellten Protokolls ist es äußerst schwierig, einen Ausleger mit einer Stingerspitze zu erhalten, die perfekt senkrecht zum Ausleger steht. Der außermittige Winkel zwischen dem Stinger und einer imaginären ...

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Quantitative und kontrollierte Untersuchungen des Stichverhaltens von Insekten sind entscheidend, um wirksame Strategien zur Bekämpfung vektorübertragener Krankheiten zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wird ein Verfahren zur Herstellung einer biohybriden Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Sonde vorgestellt.

Mosquitoes, notorious as the deadliest animals to humans due to their capacity to transmit diseases, pose a persistent challenge to public health. The ...

Wir wollen einen AFM-Cantilever entwickeln, um die Stichmechanismen der Mücke möglicherweise quantitativ zu untersuchen. Unser Protokoll bietet eine neue Methode zur Erstellung präziser, kontrollierbarer und zuverlässiger AFM-Sonden, um Beiß- oder Stechenprozesse bei Tieren zu untersuchen. Unser Protokoll zielt darauf ab, den Beißprozess der Tiere genau zu simulieren, was dazu führt, dass die derzeitigen Methoden entweder unkontrollierbar, nicht zuverlässig reproduzierbar oder in bestimmten Fällen völlig ungenau sind.Unsere Arbeit hat eine zweifache Wirkung. Zum einen erstellen wir ein Protokoll, das es anderen Forschern ermöglicht, ihre eigenen maßgeschneiderten Bio-Hybrid-AFM-Ausleger herzustellen. Zweitens ebnet unsere Arbeit den Weg für die Erstellung weiterer Protokolle, die Testsysteme mit biologischem Material zusammenführen, um realistischere Testszenarien zu schaffen.

development-bio-hybrid-mosquito-stinger-based-atomic-force-microscopy

Research

JoVE Journal

Engineering

Development of a Bio-Hybrid Mosquito Stinger-Based Atomic Force Microscopy Probe

Mosquitoes, notorious as the deadliest animals to humans due to their capacity to transmit diseases, pose a persistent challenge to public health. The primary prevention strategy currently in use involves chemical repellents, which often prove ineffective as mosquitoes rapidly develop resistance. Consequently, the invention of new preventive methods is crucial. Such development hinges on a thorough understanding of mosquito biting behaviors, necessitating an experimental setup that accurately replicates actual biting scenarios with controllable testing parameters and quantitative measurements. To bridge this gap, a bio-hybrid atomic force microscopy (AFM) probe was engineered, featuring a biological stinger - specifically, a mosquito labrum - as its tip. This bio-hybrid probe, compatible with standard AFM systems, enables a near-authentic simulation of mosquito penetration behaviors. This method marks a step forward in the quantitative study of biting mechanisms, potentially leading to the creation of effective barriers against vector-borne diseases (VBDs) and opening new avenues in the fight against mosquito-transmitted illnesses.

Quantitative and controlled investigations into insect biting behaviors are crucial for devising effective strategies to combat vector-borne diseases. In this context, a method for fabricating a bio-hybrid atomic force microscopy (AFM) probe is introduced.